Vrstni šestvaljni motorji - Kako veličastna bo vrnitev vrstnega šestvaljnika?

Se še spomnite velikih nemških limuzin iz obdobja od šestdesetih do devetdesetih let? Takrat so bile stvari precej jasne – idealna konstrukcija motorja z notranjim zgorevanjem je bila šest valjev v vrsti. Motorjem, ki so skorajda izumrli, se, kot kaže, obeta velika vrnitev v svet avtomobilizma.

Vrstni šestvaljni motorji - Kako veličastna bo vrnitev vrstnega šestvaljnika? (foto: Daimler Ag - Global Communicatio) Daimler Ag - Global Communicatio
1. 6. 2021

Kdor je imel kdaj priložnost voziti avtomobil s šestvaljnim vrstnim motorjem, se bo verjetno strinjal, da je šlo ne glede na znamko in letnik avtomobila pravzaprav za zelo uglajen, tih, zmogljiv in relativno varčen bencinski ali dizelski stroj. Pa če je bil to starodobni Opel Blitz iz leta 1939, bahavi Mercedes iz šestdesetih let ali pa takrat že skoraj japijevski BMW s konca osemdesetih let. V vsakem primeru je šestvaljnik pomenil svojevrsten prestiž.

Lahko je bil vrhunec srednjega razreda ali pa si z njim kupil vstopnico v visoki razred. Vseeno pa, gledano z današnje časovne distance in perspektive, v ospredje silita dve čisto drugi, vendar še kako pomembni lastnosti teh motorjev – zanesljivost in trajnost.

Saj vem, če je vrstni šestvaljnik res tako ultimativen motor, kot trdim v uvodu, zakaj se je potem moral umakniti drugim konstrukcijam in konfiguracijam? Po mojem mnenju predvsem iz prostorskih razlogov. Kajti ko so avtomobili postajali sodobnejši in varnejši, predvsem seveda tisti kompaktnejše izvedbe, se je čedalje bolj uveljavljala prečna vgradnja motorjev. Hkrati so sodobne karoserije med blatniki izgubljale dragocen prostor, v motornem prostoru pa se je pojavilo cel kup elementov, ki prej niso bili nujno potrebni.

Vrstni šestvaljnik je tako zaradi svoje dolžine postal prevelik, hkrati pa je zaradi višine rahljal živce oblikovalcem. Predvsem tistim oblikovalcem, ki so v devetdesetih letih v iskanju aerodinamičnih presežkov prisegali na vedno nižje pokrove motorjev, hkrati pa so morali upoštevati pravila za varnost pešcev ob trku, kar zahteva nekaj prostora med vrhom bloka in pokrovom.

Vedno več proizvajalcev spet vgrajuje (ali pa najavlja) vrstne šestvaljnike

Seznam proizvajalcev, ki vrstne šestvaljnike najavljajo ali pa jih v svoje avtomobile že spet vgrajujejo, je iz meseca v mesec daljši. Med njimi so seveda sama velika imena, na primer BMW, Mercedes, Jaguar, Land Rover, Fiat-Chrysler, o razvoju takšnega motorja govori celo japonska Mazda.

Morda se kdo sprašuje, zakaj bi proizvajalci sploh razvijali vrstne šestvaljnike, ko pa je na voljo toliko preizkušenih, torej zanesljivih kompaktnih in tudi čistih motorjev V6. No, v resnici se vrstni šestvaljnik ne vrača zato, da bi zamenjal motorje V6, ampak predvsem zaradi nujno potrebnega t. i. downsizinga večjih motorjev V8, torej zaradi ekologije. Tipičen primer, ki potrjuje to teorijo, je Mercedesov motor M256, ki je pred dobrimi štirimi leti zamenjal motor M276 (V6) in je hkrati tudi alternativa za M278 (V8).

Od leta 2017 tako vrstni šestvaljnik vgrajujejo v najprestižnejše modele razredov E, S, CLS, GLS in GLE, pri nekaterih modelih pa ga je uporabil celo tovarniški tuner AMG. Mercedes je sicer s svojim zadnjim vrstnim bencinskim šestvaljnikom opremljal svoje limuzine leta 1997. Vrstni šestvaljnik v svoje avtomobile (tudi tiste z oznako M) vgrajujejo Bavarci, vrh ponudbe pa je tak motor tudi v prestižnem Land Roverju Defenderju.

Razpon moči, ki jih dosegajo najnovejše različice tovrstnih motorjev, se lahko giblje od 240 pa vse do 350 ali celo več kilovatov oziroma od 320 do 480 'konjev', največji motorni navor pa se v vseh primerih giblje med 500 in 600 njutonmetri. Če številke same po sebi niso dovolj zgovorne, lahko zapišem nekoliko drugače. Gre za vrednosti, ki so domala enakovredne najzmogljivejšim velikim dizelskim motorjem in celo bencinskim V8 ter 12-valjnim motorjem.

Razlogi za vrnitev vrstnega šestvaljnika

Ključna razloga, zaradi katerih si je vrstni šestvaljnik lahko spet utrl pot v svet osebnih avtomobilov, sta posledica sodobne tehnologije. Prvič, sodobna tehnologija in izboljšave materialov omogočajo bistveno manjše razmike med valji, zato je motor že sam po sebi kompaktnejši.

Drugič, napredek, ki se je zgodil pri prisilnem polnjenju, omogoča bistveno boljši izkoristek potenciala domala vsakega motorja z notranjem izgorevanjem. Torej tudi vrstnega šestvaljnika. Zlasti je treba poudariti elektrificirane turbinske polnilnike ali/in električno gnane kompresorje. Tehnologija, ki si je svoje ime ustvarila v Formuli 1, je tudi v svetu serijskih avtomobilov napovedala dokončen konec zloglasne turbo luknje. A o tem nekoliko kasneje.

Tik pred zatonom vrstnega šestvaljnika v devetdesetih letih so se delovne prostornine teh motorjev gibale od 2,5 litra do dobrih 3,5 litra, v prihodnje pa bo, kot kaže, drugače. Medtem ko koncern Fiat-Chrysler za svoje velike SUV-je, ki jih prodaja predvsem na drugi strani velike luže, uporablja 3,6-litrski vrstni šestvaljnik, pa so drugi evropski proizvajalci, kot kaže, zavzeli stališče, da je optimalna standardna prostornina vrstnega šestvaljnika okrogle tri litre.

Razlogov za to je seveda več. Med pomembnejše zagotovo sodijo davčni in seveda tudi ekonomski. Slednji omogočajo predvsem to, da bi si proizvajalci lahko delili določene sestavne dele, s čimer bi se proizvodnja motorjev bistveno pocenila. Seveda so v ozadju tudi pomembni tehnični razlogi. Pol litra delovne prostornine na valj je namreč zelo blizu idealu po principih termodinamičnega optimuma, pri tem pa je maksimalni učinkovitosti v prid pri tej prostornini idealno tudi razmerje med prostornino in površino valja.

Prednosti vrstnega šestvaljnika

Najverjetneje bi, če bi inženirji smeli pri razvoju motorjev stremeti zgolj k zadovoljstvu in sreči voznikov, danes poznali povsem drugačne motorje z notranjim izgorevanjem. A nekaj so želje in nekaj realnost, zato v grmu, kjer tiči zajec oziroma razlogi za vnovični razvoj vrstnih šestvaljnikov, ni težko najti tistih najpomembnejših.

Med prvimi je zagotovo ekologija. Teorija in praksa pravita, da mora biti katalizator čim bliže motorju, saj je čiščenje izpušnih plinov zaradi hitrega ogrevanja tako učinkovitejše. Pri vrstnem motorju, kjer sta samo ena izpušna stran in samo en izpušni kolektor, je to konstrukcijsko precej laže izvedljivo kot pri motorjih z V-zasnovo. Tako načeloma zadošča že en katalizator, kar pod črto pomeni manj zavzetega prostora in tudi manjšo maso.

K ekologiji spada seveda ali celo predvsem tudi manjša poraba goriva. Še pred nekaj leti bi tu inženirji zašli v slepo ulico, danes pa je ob pomoči sodobnega prisilnega polnjenja in elektrifikacije (hibridi, blagi hibridi) to bistveno laže. Kajti z vso omenjeno podporo vrstni šestvaljnik zlahka doseže moč, ki je bila nekoč rezervirana za volumensko večje motorje V8, ob tem pa še vedno porabi znatno manj goriva.

Dodatna prednost, ki jo prinaša vrstni motor, je seveda strošek proizvodnje. V primerjavi z V-motorji je komponent manj. Namesto dveh glav, dveh sistemov razvodov za krmiljenje ventilov, štirih odmičnih gredi in tako naprej pri vrstnem motorju zadošča že polovica vseh naštetih delov. Zaradi tega je vrstni motor že v osnovi cenejši.

Dodatna prednost, ki se je veselijo inženirji, cenimo pa jo vozniki, je kultiviranost teh motorjev. Pri vrstnem šestvaljniku se dva bata v valjih (1/6 – 2/5 – 3/4) vedno pomikata vzporedno, zato je tak motor že sam po sebi zelo dobro uravnotežen, teče zelo mirno in ne povzroča skoraj nobenih vibracij. Zato ni potrebna vgradnja različnih gredi ali sistemov za uravnoteženje, kot jih na primer potrebujejo nekateri štirivaljni, še zlasti pa trivaljni motorji.

Elektrificirani turbinski polnilnik – prihodnost motorjev z notranjim izgorevanjem

Kot že omenjeno, vrstni šestvaljnik se verjetno ne bi vrnil, predvsem pa ne tako hitro, če se ne bi premiki zgodili tudi pri razvoju prisilnega polnjenja. Na tem področju smernice narekujeta Mercedes in AMG skupaj z ameriškim specialistom Garrettom. Da bi dokončno odpravili zloglasno turbo luknjo, povečali odzivnost in moč, so skupaj razvili in ga še vedno izpopolnjujejo – elektrificirani turbinski polnilnik.

Večni (in še vedno nerešeni) problem klasičnih turbinskih polnilnikov je t. i. turbo luknja. Preprosto povedano, gre za zakasnitev turbinskega polnilnika pri reakcijah na odpiranje plina, predvsem pri nizkih vrtljajih glavne gredi motorja, ko energije izpušnih plinov ni dovolj, da bi pognali kompresor turbine z ustrezno hitrostjo. Povprečen avtomobilski turbinski polnilnik ob polnem odprtju plina pri 1.500 vrtljajih do trenutka, ko je dosežen njegov največji tlak in posledično tudi največji navor motorja, potrebuje približno 4,5 sekunde, medtem pa pred prvo resno reakcijo sistema preteče še slaba sekunda.

Sicer je že treba reči, da so proizvajalci problem turbo luknje učinkovito rešili z vgradnjo več turbin, premičnih usmerjevalnih lopatic, vendar so takšne izvedbe zapletene, drage in predvsem (potencialno) dolgoročno zelo problematične zaradi okvar in obrabe. Pri samo eni majhni turbini z majhno maso, ki se res zvrti hitro, pa je težava pri doseganju večje moči.

Z elektrifikacijo turbinskega polnilnika oziroma električno gnanega kompresorja pa so problem turbo luknje bistveno učinkoviteje pred leti že rešili v Formuli 1. Pionirsko delo za prehod te tehnologije v serijske avtomobile je, kot že rečeno, opravil Mercedes v sodelovanju z Garettom. Zanimivo je to, da so prve preizkuse izvedli z Audijevim motorjem 2,0 TFSI v karoseriji modela Q7.

Začetni rezultati testiranj so bili zelo spodbudni, saj se je reakcijski čas od pritiska na plin do največjega navora s prvotnih 3,5 sekunde skrajšal na eno sekundo, avtomobil pa je od 60 do 120 kilometrov na uro pospešil 2,5 sekunde hitreje. Še pomembnejše pa je, da pri pritisku na plin ni domala nobene zakasnitve. Mercedes in AMG napovedujeta, da naj bi sistema eATL (elektrischer Abgas Turbolader) začeli vgrajevati leta 2022 kot del plug-in pogona, in sicer premierno pri modelu C63 AMG.

Skrivnost oziroma, bolje rečeno, srce novega turbinskega sistema je majhen elektromotor (velik približno pet centimetrov), ki je vgrajen na osi turbinskega polnilnika med lopaticami turbine na sesalni strani in med lopaticami kompresorja na izpušni strani. Ta elektromotor s tem, ko zavrti lopatice kompresorja, pravzaprav prehiti tok izpušnih plinov ter tako poskrbi, da zakasnitve pri reakciji turbinskega polnilnika skorajda ni. Motor je tako pri nizkih vrtljajih odzivnejši in domala vseskozi razpolaga z večjim navorom, kot bi sicer.

Dodatna prednost, ki jo prinaša ta dodatni elektromotor, je tudi ta, da bo lahko po zaslugi njegove hipne pomoči turbinski polnilnik večji, kar pod črto pomeni še več moči in več navora. Elektrificirani turbinski polnilnik pa lahko služi tudi kot generator električne energije. Tudi ta sistem že poznamo iz Formule 1 pod oznako MGU-H (Motor Generator Unit – Heat), v serijskih avtomobilih pa naj bi zmogel baterije polniti z močjo okrog 15 kilovatnih ur. Pri nekaterih znamkah pa se še vedno odločajo za kombinacijo – torej za električno gnani kompresorski del turbine, ki zvrti kolo kompresorja v trenutku speljevanja, pri višjih vrtljajih pa delo prevzame večji, klasično grajeni turbinski polnilnik.

Navkljub vsem prednostim, ki jih na relativno enostaven način prinaša elektrificirani turbinski polnilnik, pa se le-teh ne morejo veseliti prav vsi ali tisti, ki v njem vidijo potencial za predelavo svojega starega Fiata Una. Sistem je resda zelo učinkovit in daje veliko, vendar za svoje delovanje potrebuje tudi kar nekaj energije. Za delovanje potrebuje vsaj 48-voltno napeljavo, kar pomeni, da bo sistem bolj kot ne vsaj še nekaj časa rezerviran za dražje avtomobile in hibride.